第2章系统工程方法论

第二章系统工程方法论2.1

系统工程基本工作过程2.2

系统分析（SA）原理及应用2.3

系统工程（SE）理论的新发展2.1

系统工程基本工作过程

系统工程方法论是用于解决复杂问题的一般程序、逻辑步骤和通用方法。系统工程方法论

霍尔方法论（硬系统方法论）软系统方法论（切克兰德模式）综合集成工程方法学

(综合集成研讨厅体系)一、霍尔三维结构1969年，美国工程师霍尔认为系统工程整个活动过程可以分为前后紧密衔接的七个阶段，每个阶段应遵循一定的思维程序，需各种专业知识和技能的支持。这构成了时间维、逻辑维和知识维的“三维空间结构”，概括了系统工程的一般过程。它把系统工程的整个活动过程分为前后紧密衔接的７个阶段（按时间划分的时间段）和７个步骤（按实施步骤划分的逻辑步骤）。７个阶段对应霍尔三维结构的时间维，７个步骤对应霍尔三维结构的逻辑维。

SE基本工作过程（霍尔方法论）摆明问题系统设计方案综合实施计划决策最优化逻辑维（L）知识维（K）运筹学控制论社会科学工程技术……规划阶段设计阶段：拟定方案阶段分析阶段运筹阶段系统实施阶段运行阶段更新阶段时间维(T)模型化霍尔三维结构一)时间维

表示系统从规划到更新，从开始→结束按时间顺序排列的全过程，反映了系统的生命周期循环过程。

规划阶段：调研、明确目标设计阶段：比较分析方案，择优分析或研制阶段：实现方案，作生产计划运筹或生产阶段：零部件→组装整个系统系统实施或安装阶段：安装、调试运行阶段：运行更新阶段：评价→改进和更新霍尔方法论

１．摆明问题——需要分析研究系统的结构、有关人员的价值观念、约束条件、备选方案的选取、方案实施后果以及人们对方案实施后果的反应。

（1）环境调查研究：二)逻辑维

每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。物理和技术环境经济和事务环境社会环境。

（2）需求调查研究：需求的一般指标可配置的资源和约束计划情况和市场特性竞争状况用户购买力及其消费心理状况来自需求研究的设计要求。

２．系统设计——提出目标，制定准则(标准)。是指对系统的指标进行设计，最终确定目标并据此建立价值体系或评价体系。确定目标应注意以下8条原则：长远观点整体观点注意明确性明确目标层次权衡先进性和可行性注意标准化注意恰当的指标数量注意计算简便目标一经制订，不得单方面修改；目标体系中出现矛盾时，一是可以剔除次要矛盾，二是可以让矛盾的目标共存，予以折中兼顾处理。3．系统综合

系统综合即方案策略，对每种方案进行说明，并在给定条件下，找出达到预期目标的手段或系统结构。系统综合的过程要反复多次，直到形成系统方案。初次的系统综合往往是按问题的性质、目标、环境、条件拟定若干可能的粗略的备选方案。系统综合则是建立在阐明问题与确定目标的分析基础之上的，同时又为后面的系统分析提供基础。

4．模块化

系统分析的主要工作是演绎备选方案，为此，需要对每一种方案建立模型，进行计算分析，得出可靠的数据、结论。系统分析时，主要是依靠所建的模型（实物模型、非实物模型、或数学模型）来代替真实的系统，利用演算和模拟代替系统的实际运行，选择参数，实现优化。系统分析的主要内容涉及系统变量的选择、建模和仿真、可靠性工程等几个方面。

５．最优化

所谓优化，就是在约束条件规定的可行域内，从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解。实践中要根据问题的特点选用适当的最优化方法，目前应用最广的仍是线性规划和动态规划。

６．决策

决策阶段主要由决策者来进行。不能十全十美，要考虑人、社会各种因素决策又有个人决策和团体决策、定性决策和定量决策、单目标决策和多目标决策之分。决策支持系统群决策(团体决策)

７．实施计划

就是将决策者的方案付诸实施，转入下一阶段的工作。

在这个过程中，不但从实施或决策步骤可以返回到前面的步骤，而且从中间步骤也可以返回到前面的步骤。有的步骤甚至要经过多次反复才能完成。霍尔三维结构—逻辑维摆明问题系统设计系统综合模型化最优化实施计划决策三)知识维

知识维是指在完成上述各种步骤所需要的各种专业知识和管理知识，包括科学学、基础科学、工程技术、环境科学、计算机技术、数学、经济学、法律、管理科学和其它相关社会科学等。霍尔方法论——活动矩阵

逻辑步骤时间阶段1.规划阶段2.设计阶段（拟定方案）3.分析或研制阶段4.运筹或生产阶段5.系统实施或安装阶段6.运行阶段7.更新阶段7.实施计划6.决策5.最优化4.模型化3.系统综合2.系统设计1.摆明问题a11a12a13a14a15a16a17a21a22a27…

…aij…

…a71系统工程的神羊角模型1a11a12a13a14a15a16a17234567时间阶段a21a22a23a24a31a32a33a34a43a53物质信息能量产生理想的系统（输出）（输入）规划阶段设计阶段分析或研制运筹或生产实施或安装运行阶段更新阶段系统工程的超细结构霍尔方法论小结

霍尔三维结构强调明确目标，核心内容是最优化，并认为现实问题基本上都可归纳为工程系统问题，应用定量分析手段，求得最优解答。该方法论具有研究方法上的整体性（三维）、技术应用上的综合性（知识维）、组织管理上的科学性（时间维与逻辑维）和系统工程工作问题的导向性（逻辑维）等突出优点。二、切克兰德方法论

英国的切克兰德认为：从问题的形成过程和认识问题的主观与客观关系来看，问题是一种带消除的状态差异，一种令人担心的事物。所有问题都包含起始状态（给定）、理想状态（目标）和环境状态（障碍），它们通常是既定的，而且环境是多变的，目标是可能调整的。一般便于观察、便于建模、边界清晰、目标明确、容易定义的问题，称为具有良结构的硬问题；而把难于观测、不便建模、边界模糊、目标不定、不好定义的问题，称为具有劣结构的软问题。霍尔方法论的局限性霍尔方法论没有为目标定义提供有效的方法；霍尔方法论没有考虑系统中人的主观因素；霍尔方法论认为只有建立数学模型才能科学地解决问题，但是，通过模型求解得到的方案往往并不能解决实际问题。

霍尔三维结构不适用于以建立和管理“软系统”为目的的社会科学、管理科学等科学领域；而适用于以研制“硬件系统”为目标的自然科学、工程技术等“硬科学”领域，故有人称霍尔三维结构为“硬科学”的系统工程方法论。英国的切克兰德把OR、SE、SA和SD所使用的方法论叫硬系统方法论，并在1981年自己提出一种软系统方法(SSM)——“调查学习”法。

切克兰德的调查学习法用概念模型代替数学模型，使思路更为开阔；用可行满意解代替最优解是价值观方面的重要变化。

良结构系统：指偏重工程问题、机理明显的物理型的硬系统

不良结构系统：指偏重社会问题、机理尚不清楚的心理和事理型的软系统

核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径，是有很明显的反馈调节思想。

根底定义问题及其环境的识别与描述比较建立概念模型（目标系统概念化）寻找改善途径选择实施设计评估切克兰德的“调查学习”方法流程图切克兰德方法论摆明问题系统设计系统综合模型化最优化实施计划决策霍尔方法论根底定义建立概念模型比较选择评估与反馈设计与实施认识问题两种方法的比较

霍尔方法论切克兰德方法论研究对象工程系统

更适合社会经济和经济管理等“软”系统问题的研究研究核心优化分析

比较学习研究方法定量分析

比较强调定性或定性与定量有机相结合的基本方法

相同点：均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。区别：

三、综合集成工程方法学

(综合集成研讨厅体系)1.综合集成方法论的产生

80年代初，钱学森提出处理复杂行为系统的定量方法学。

80年代末，钱学森提出处理开放的复杂巨系统的方法论是“从定性到定量综合集成方法”。

1992年，钱学森提出从定性到定量综合集成研讨厅体系。2.综合集成研讨厅体系的框架与特点

由三部分组成：机器体系、专家体系和知识体系。专家体系社会认识客观世界知识体系社会实践机器体系图3.3研讨厅框图结果命题认识世界改造世界分析作战训练中心演习研制与试验分布交互仿真次研讨厅低层次研讨厅高层次研讨厅分析图3.4研讨厅体系一例

这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定性定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综合起来，达到对整体的认识，称之为“集大成”的智慧，所以钱学森把这个方法称为“大成智慧工程”。

在综合集成研讨厅体系这个概念中，综合集成是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和反复性。

综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也是个不断发展和进化的体系。

应用综合集成方法(包括综合集成研讨厅体系)必须有总体设计部这样的实体机构。“我们把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量综合集成方法，把应用这个方法的集体称为总体设计部。”综合集成研讨厅是研究开放的复杂巨系统的方法论，那么总体设计部是实现这个方法论所必须的体制和机制。

3.总体设计部思想2.2

系统分析原理及应用

系统分析（SA）是在对系统问题现状及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。系统分析SA的意义

（1）是研究大型工程项目等大规模复杂系统问题的一种方法论。

系统外部要求系统内部要求

（2）最终为系统决策提供服务。SA的特点：

定性分析与定量分析相结合：因为如果定性分析是错误的，定量的结果再好，也是不可信的。SA是SE的核心内容、分析过程和基本方法。

SA要素①问题②目的及目标③方案④模型（结构、数学、仿真）⑤评价⑥决策者

系统分析的基本原理否问题的形成1.确定问题的范围2.明确构成因素之间的相互依存关系3.了解环境状况和约束条件明确目标1.明确目标2.采用手段能否实施继续进行分析工作是确定目标工作图环境分析政策分析资源分析同类系统状况分析人、财、物、技术分析及运行机制分析等SA程序认识问题探寻目标综合方案优化或仿真分析系统评价决策（分析）不满意初步SA规范分析综合分析满意

结束模型化5W1H:WhatWhyWhereWhenWhohow系统分析应用实例CH公司外购玻壳进厂入库搬运路线方案分析

①搬运路线长，曲折迂回；②装卸次数多，从供应厂家到本厂玻库共有8次叉车装卸，而其中在本厂就有3次；③经过厂内铁路一次，过铁路时振动剧烈，对玻壳十分不利。

改进方案的生成6组26个决策群体所创建的83个方案及其相互关系编号方案内容

与其他方案关系及特点

01建从南站台到玻库的地下铁路与61、65相似，与14有别02架从南站台到玻库的运输带与06、11、45相似，与69有别03利用下岗人员，包干低成本运入玻库欠具体

04拆成品库西建筑，建站台并修玻库专公路与21、66相似

05成品库与玻库对调位置与43、62相似

06站台处设置一长臂吊车与02、11、45相似

07外购玻璃制品包装增加防震物08在站南租一玻库房09在站南边租一成品库房，523改为玻库房与70相似

10改玻壳火车运输为汽车运输，一次到位11在站台与玻库中间架桥与02、06、45相似

12在站台边上修地下仓库与13、20相似

13在站台边上建空中仓库与12、20相似

14直接修铁路支线至玻库与01有别

15总装厂下、上或边建玻库，汽车运输一次到位与22、63有别

16砂库与玻库对调，火车直接进入与67有别

17改砂库左边的铁路为公路，减玻璃制品运输振动18建一集散地，统一调运，减少环节与28相似，欠具体

19成品库一分为二，与玻库放置一起与73有别

20道南建一平台与12、13相似

21道北平台与玻库间修一道路与04、66相似

22铁路线修至总装厂旁边，总装厂旁边建成品库与15、41、63有别23成品库改为玻库，南库部分改为成品库与26有别

24解放路边新建玻库与33相似

25改砂库为玻库，取消玻璃厂与72相似，与44相对26成品库大部分改为玻库，南库部分改为成品库与23有别

27扩大玻璃厂生产能力，自己生产所有玻璃制品与44相似

28一个部门统管供应与18相似，欠具体

29JIT管理，实行零库存生产，撤消成品库欠具体

30西北处建一库房欠具体

31厂外所租兴平库废弃32砂库至玻库，玻库至成品库，成品库至砂库与37相似

33玻库建在道南，用叉车直接运入其中与24相似

34将再生厂移至总装一厂和二厂中间与本例关系不大

35将802库移至右下方36用一高空行车运砂37砂库至成品库，成品库至玻库，玻库至砂库与32相似

38将526改为站台与04相似

39挪总装二厂、三厂于玻库附近40扩砂库，玻壳与砂合用与75相似，与47有别41挪成品库至总装厂旁边，把成品库改成玻库与15、22、46、63有别42交换成品库与南站台的位置43成品库与玻库对调位置，向北开门运出成品与05、62相似

44引进技术生产二、三厂用玻壳，不再外购与27相似，与25相对

45南站台与玻库中间架设传输带、天桥或修地道与02、06、11、65相似46在东南角厂外租建成品库，把成品库改成玻库与15、22、41、71有别47砂库分做两用，成品与砂合用与40有别

48改玻库为荧粉厂，成品库为玻库，荧粉厂为成品库49把南库改为成品库，成品库改为玻库与74、76相似

50延长铁路线至二、三厂旁与15、22、41、71有别，欠具体51撤玻璃厂，玻库、成品库、外租库、砂库平移52将铁路改至成品库与玻库之间，直达砂库与81相似

53将玻璃厂与玻库对调54玻璃厂南建成品库，原成品库改为砂库55砂库西铁路上建天桥。55砂库西铁路上建天桥。56互换820库与玻库，并在820库处加修一铁路与63相似

57南库和成品库互换58拆掉部分房，重新布局欠具体

59化工库与玻库互换60改砂库为玻库，玻璃厂为成品库，取消玻璃厂与25、72、78相似

61从站台到玻库挖地洞与01、65相似

62玻壳直接卸入成品库，成品库房另行考虑与05、43相似

63总装厂下、上或边建玻库，铁路运输一次到位与15、22、41有别64调整改进铁路线，在北站台卸货欠具体

65在铁路线修地下通道或修立交桥与01、45、61相似，地点不明

66道北玻库附近修一平台，南站台辅助用与04、21相似

67砂库与成品库对调与16有别

68将成品库与南库交换，以缩短成品外运路径69外购玻壳过铁路处架天桥与02有别

70在站南边重建成品库房，原成品库改为玻库与09相似

71在东南角修建一新成品库，把成品库改成玻库与15、22、41、46有别72改砂库为成品库，成品库为玻库，取消玻璃厂与25、60、78相似73成品库扩建成立体式，与玻库放置一起。与19有别

74综合库改为成品库，成品库为玻库与49、76相似

75砂库加层，成品与砂合用与40相似，与47有别

76综合库为成品库,成品库为玻库,玻库为综合库与49、74相似77成品库与玻库互换，化工库改为玻库78改砂库为成品库和玻库，取消玻璃厂与25、72相似

79撤消玻璃厂，二、三厂迁至原玻璃厂80二、三厂房上建成品库，原成品库改为玻库81铁路经过成品库与玻库之间，玻库移至砂库北与52相似

82北侧开门使成品直接运出。83在南边出厂处建成品库方案选择方案73：成品库扩建成立体式，与玻库放置一起。当成品量增加时，可减少外购玻壳量，防止库存过大，反之亦然。然而，本方案要求销售公司和供应公司共用一个库，管理中难度较大。火车叉车等待叉车汽车叉车入库图8-2-2改进前后玻壳进厂入库对比火车叉车入库方案64：改进铁路线，在北站台卸货。改用北站台后，玻壳供应物流流程为：①用火车运至北站台；②用吊车将集装箱堆放在站台；③将集装箱拆开④用叉车取货；⑤运至玻库（距离约100m）；⑥堆垛。方案05：成品库与玻库对调位置（玻壳卸货在北站台）。方案评价表因素/指标权重评定及加权评定方案73方案64方案051.物流及搬运经济性0.254352.投资少0.204343.便利服务0.103324.灵活性0.152335.易于管理0.152436.可操作性0.15343合计1.003.153.303.60注：方案得分采用5分制。改进前后玻壳进厂入库对比火车吊车或叉车等待(打开集装箱)叉车汽车叉车入库火车叉车入库实例分析与启示1．需要站在公司的高度进行整体分析本实例中，就局部来看，供应物流和销售物流都是相对合理的。将公司总物流作为一个系统进行分析，方可发现问题症结所在。为了真正找到问题，除了掌握工业工程与管理的一般原理之外，关键在于摸清现状，灵活应用，此时想象力很重要。2.本实例的问题是如何找到的竞争激烈，企业生存压力大，且意识到自身可能存在问题国家正在提倡产学研相结合的活动厂校结合，专家诊断（财务、生产运作、物资等方面诊断）专家(现场管理方面)现场管理优化(定额制定、安全管理、设备利用率，物流等方面)企业在定额制定、安全管理等方面已经逐步完善，但物流方面还有待改进厂内物流优化(玻壳、荫罩、防暴带、电子枪零件等千种物流）主要运输方式改变，平均玻壳破损率已达到3%~5%之多如何减少玻壳的破损率采用ABC分类法，得出玻壳运送的物流优化问题对企业影响重大3．关于“取消玻璃厂”公司总装一厂班组长对83方案选3的结果

群体优选方案编号群体12227

31

群体2

151531

群体3

7

41

群体4

27

3344

群体5

27

8183

群体6

27

31

13

群体7

44

1054

群体8

27

33

40

群体9

27

470

群体11

27

44

25

群体12